Quais são as direções de desenvolvimento futuro dos motores síncronos de ímã permanente?

Motor síncrono de ímã permanentes (PMSM) evoluíram para componentes de energia essenciais em sistemas eletrificados modernos, celebrados por sua alta eficiência, densidade de energia superior e desempenho dinâmico excepcional. Impulsionados por objetivos globais de neutralidade de carbono, políticas rigorosas de conservação de energia e a rápida eletrificação de indústrias-chave – desde a automotiva e industrial até a aeroespacial – os PMSM foram amplamente adotados em veículos de novas energias (NEVs), equipamentos de automação industrial, sistemas de propulsão aeroespacial, eletrodomésticos e projetos de geração distribuída de energia.

À medida que a ciência dos materiais, a tecnologia electrónica de potência e os algoritmos de controlo continuam a avançar, o PMSM está a passar por uma profunda transformação em direcção a um maior desempenho, inteligência, ecologização e integração de sistemas. Este artigo explora de forma abrangente o contexto de desenvolvimento, as principais tecnologias, os cenários de aplicação, os desafios existentes e as tendências futuras do PMSM, ao mesmo tempo que elabora métodos de design avançados, com o objetivo de fornecer insights sistemáticos para pesquisadores, engenheiros e tomadores de decisão do setor.

I. Introdução

Em meio às metas globais de neutralidade de carbono para meados do século e à eletrificação industrial acelerada, a demanda por motores confiáveis ​​e de alta eficiência aumentou.Motor elétrico síncrono de ímã permanentesupera indução, relutância comutada e outros motores convencionais com vantagens técnicas exclusivas.

Ao contrário dos motores de indução que dependem da excitação do enrolamento do rotor, os PMSMs utilizam ímãs permanentes de alto desempenho para os campos magnéticos do rotor, eliminando as perdas de cobre do rotor. Isso aumenta a eficiência energética em 5-10% e a densidade de potência em 20-30%, tornando-os ideais para tração NEV, equipamentos servo de alta precisão, unidades de energia auxiliares aeroespaciais e geração eólica/solar distribuída.

Sua resposta rápida e baixa ondulação de torque também os tornam indispensáveis ​​para cenários de precisão, como robôs industriais e equipamentos de usinagem.

No entanto, a aplicação de PMSM em larga escala enfrenta gargalos: altos custos de ímãs de terras raras (30-40% dos custos totais), baixa estabilidade térmica, requisitos de controle complexos e dependência de componentes eletrônicos de potência de alta tecnologia e ferramentas de simulação.

A inovação contínua em materiais magnéticos, projeto estrutural, simulação e algoritmos de controle é essencial. Este artigo aborda os principais aspectos do PMSM com casos práticos e análises de desafios, fornecendo referências para pesquisa e engenharia.

II. Status de Desenvolvimento e Pesquisa do PMSM

（I）Fundação de Desenvolvimento

O desenvolvimento e a popularização de motores síncronos de ímã permanente estão intimamente ligados a avanços em três campos principais: tecnologia de material de ímã permanente, tecnologia de eletrônica de potência e teoria de controle. Estes três pilares complementam-se, conduzindo a tecnologia PMSM desde a investigação laboratorial até à produção industrial em grande escala.

Em termos de materiais de ímã permanente, os motores do início do século 20 dependiam de ímãs de ferrita e AlNiCo, que tinham produtos de baixa energia magnética (20-30 kJ/m³ para ferrita, 40-60 kJ/m³ para AlNiCo), resultando em baixa densidade de potência, grande volume e eficiência limitada, restringindo seu uso a cenários de baixa potência, como pequenos ventiladores. A invenção e industrialização de ímãs de terras raras na década de 1980 marcou um marco: os ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB) apresentam um produto de energia magnética de 200-400 kJ/m³ (5-10 vezes o da ferrita), permitindo fundamentalmente a miniaturização, alta eficiência e alta densidade de potência do PMSM.

Os ímãs de samário-cobalto (SmCo) (150-250 kJ/m³) expandiram ainda mais a aplicação do PMSM em ambientes de alta temperatura. Enquanto isso, transistores bipolares de porta isolada (IGBT), MOSFETs de carboneto de silício (SiC) e dispositivos de nitreto de gálio (GaN) melhoraram a eficiência e a confiabilidade do drive, enquanto a iteração do algoritmo de controle (do controle escalar para FOC/DTC e depois para MPC) melhorou o desempenho do PMSM em condições complexas.

（II） Status de pesquisa nacional e estrangeira

Internacionalmente, os países desenvolvidos formaram sistemas tecnológicos e cadeias industriais maduras de PMSM. O Japão concentra-se em aplicações automotivas e de eletrodomésticos: Toyota, Nissan e Mitsubishi Electric têm décadas de experiência em NEV PMSM, com o híbrido Prius da Toyota adotando PMSM como motor de tração principal por várias gerações (eficiência do sistema superior a 90%) e o servo PMSM de alta precisão da Mitsubishi (ondulação de torque <1%) amplamente utilizado em robôs industriais.

A Alemanha é excelente em PMSM de alta velocidade e alta potência – a Siemens e a Bosch desenvolveram modelos com velocidades superiores a 20.000 RPM e eficiência superior a 98%, aplicados em compressores centrífugos e unidades de energia auxiliares aeroespaciais. Os EUA têm como alvo campos de alta tecnologia: o PMSM multimegawatt da GE alimenta a propulsão de navios e turbinas eólicas, enquanto o MIT e Stanford exploram algoritmos de controle baseados em IA e novos ímãs.

Internamente, impulsionadas pelo crescimento da indústria de NEV e pelo apoio político, a BYD, a Huawei e a Great Wall Motors dominaram as principais tecnologias (preparação de NdFeB, design de topologia, controle vetorial), produção em massa de PMSM para tração de NEV, servo industrial e eletrodomésticos. O motor blade da BYD (um tipo de IPMSM) tem uma densidade de potência superior a 3kW/kg, amplamente utilizado em sua linha NEV. No entanto, permanecem lacunas em materiais de terras raras de alta qualidade, software de simulação independente e chips de controle de alta precisão.

（III）Aplicações da Indústria

Os PMSM são amplamente adoptados em sectores-chave, tornando-se um motor central da electrificação e da conservação de energia. Nos NEVs, o PMSM domina os sistemas de tração e auxiliares: o IPMSM, com excelente capacidade de enfraquecimento de fluxo, é o principal para tração de NEV de médio a alto padrão (atendendo às necessidades de partida, subida e cruzeiro), enquanto o SPMSM é usado em compressores de ar condicionado e bombas de água para economia de energia e redução de ruído, aumentando a durabilidade do veículo.

Na automação industrial, o PMSM é o núcleo dos servossistemas, robôs industriais e máquinas CNC. O servo PMSM de alta precisão garante movimento estável e preciso das juntas do robô e das ferramentas de usinagem. Na indústria aeroespacial, o PMSM baseado em SmCo (com estabilidade térmica superior) é usado em unidades de energia auxiliares, atuadores de controle de voo e sistemas de controle de atitude de satélite, adaptando-se a ambientes adversos de aviação/espaço.

Nos eletrodomésticos, o PMSM substituiu gradualmente os motores de indução em aparelhos de ar condicionado, máquinas de lavar e frigoríficos, reduzindo o consumo de energia em 10-20% e cumprindo rigorosos padrões de eficiência energética. No setor de energia, as turbinas eólicas de acionamento direto de ímã permanente eliminam as caixas de engrenagens, reduzindo os custos de manutenção e melhorando a eficiência, tornando-se uma tendência da indústria de energia eólica.

III. Principais tecnologias do PMSM

（I）Tecnologia de Design

A tecnologia de projeto é fundamental para melhorar o desempenho abrangente do motor síncrono de ímã permanente, abrangendo a topologia do rotor/estator, o layout do ímã, o controle de perdas, a confiabilidade estrutural e o projeto do sistema de resfriamento, ao mesmo tempo em que equilibra desempenho, custo e capacidade de fabricação. A topologia do rotor tem dois tipos principais: SPMSM fixa ímãs à superfície do rotor, apresentando uma estrutura simples, fácil fabricação e baixo custo, adequado para cenários de baixa velocidade e baixo consumo de energia.

O IPMSM incorpora ímãs no núcleo do rotor (com barreiras de fluxo para circuitos magnéticos otimizados), oferecendo maior densidade de torque e faixa de enfraquecimento de fluxo, ideal para tração NEV e sistemas servo de alto desempenho. A otimização do layout magnético (matriz Halbach, enrolamento concentrado de slot fracionário) aumenta a densidade magnética do entreferro e reduz a ondulação de torque - a matriz Halbach aumenta a densidade de potência concentrando o fluxo magnético, enquanto o enrolamento de slot fracionário encurta os enrolamentos finais para reduzir a perda de cobre.

A otimização de perdas visa a perda de ferro, perda de cobre e perda parasita. Os sistemas de resfriamento (resfriamento de água/óleo para modelos de alta potência/alta velocidade) evitam a desmagnetização do ímã, dissipando o calor de maneira eficiente.

（II）Tecnologia de Simulação

A tecnologia de simulação encurta os ciclos de P&D, reduz custos e melhora a confiabilidade, permitindo a previsão de desempenho em todas as dimensões. O projeto moderno de PMSM depende de ferramentas de simulação multifísica para integrar simulações eletromagnéticas, térmicas, mecânicas e de dinâmica de fluidos.

A simulação eletromagnética otimiza circuitos magnéticos, calcula a ondulação de torque e a distribuição de perdas e evita a saturação magnética. A simulação térmica prevê a distribuição de temperatura de enrolamentos, ímãs e invólucros, orientando o projeto do canal de resfriamento para manter a temperatura do ímã abaixo de 120-150°C (limite seguro do NdFeB). A simulação mecânica (Ansys Mechanical) verifica a resistência do rotor e o equilíbrio dinâmico sob alta força centrífuga, otimizando estruturas como mangas de fibra de carbono.

Com a tecnologia digital twin, a simulação se integra a protótipos físicos para ajuste de parâmetros em tempo real, otimização iterativa e manutenção preditiva, reduzindo riscos de falhas inesperadas.

（III）Tecnologia de Controle

A tecnologia de controle determina diretamente o desempenho dinâmico, a eficiência e a estabilidade do PMSM, evoluindo do controle escalar tradicional para estratégias inteligentes modernas. O FOC e o DTC convencionais atendem a diferentes necessidades de aplicação: o FOC converte a corrente trifásica em coordenadas d/q por meio da transformação Park/Clark, controlando de forma independente a excitação e a corrente de torque para baixa ondulação, alta precisão e regulação de velocidade suave.

O DTC controla diretamente o torque e o fluxo por meio da seleção do vetor de tensão, apresentando resposta rápida e algoritmos simples. O MPC emergente e o controle adaptativo adaptam-se a condições complexas – o MPC prevê os estados do motor por meio de modelos matemáticos para otimizar os sinais de controle em tempo real, lidando com múltiplas restrições; o controle adaptativo ajusta os parâmetros dinamicamente com base nas mudanças de temperatura e carga.

Estratégias integradas em IA (redes neurais, controle difuso, aprendizado por reforço) resolvem as limitações da modelagem tradicional: redes neurais aproximam relacionamentos não lineares, controle difuso lida com a incerteza e o aprendizado por reforço permite a auto-otimização.

4. Características e Classificação do PMSM

（I） Características Principais

As principais vantagens e limitações do PMSM definem o seu escopo de aplicação. As vantagens incluem: alta eficiência (eficiência nominal >95%, até 98% para modelos de última geração), economia de energia de 5 a 10% em comparação com motores de indução em operação de longo prazo; alta densidade de potência (20-30% maior que os motores de indução), permitindo projetos menores e mais leves para cenários com espaço limitado, como NEVs e drones.

Vantagens adicionais são excelente desempenho dinâmico para controle de precisão e uma ampla faixa de velocidade, adaptando-se a condições de baixo torque, alta velocidade e alto torque e baixa velocidade.

As limitações persistem: alto custo, baixa estabilidade térmica (o NdFeB desmagnetiza acima de 150°C), controle complexo (exigindo componentes de última geração e algoritmos profissionais) e vulnerabilidade a campos magnéticos externos (risco de desmagnetização).

（II）Classificação

A classificação PMSM é baseada em vários critérios, cada um alinhado com cenários de aplicação específicos. Por estrutura de rotor: SPMSM (eletrodomésticos de baixo custo e baixo consumo de energia), IPMSM (NEVs, servosistemas) e AFPMSM (maior densidade de potência para veículos elétricos e turbinas eólicas). Por nível de potência: micro PMSM (<1kW, para pequenos eletrodomésticos e drones), PMSM de média potência (1-100kW, para automação industrial e auxiliares NEV) e PMSM de alta potência (>100kW, para propulsão de navios e grandes turbinas eólicas).

Por material magnético: NdFeB, SmCo e livre de terras raras. Por aplicação: automotivo, industrial, aeroespacial, doméstico e energia.

Cada categoria de classificação é otimizada para condições de trabalho exclusivas, garantindo adaptabilidade do PMSM em diversos cenários industriais.

V. Desafios existentes e caminhos inovadores

（I）Principais Desafios

Apesar do rápido desenvolvimento, o PMSM enfrenta quatro desafios principais. Em primeiro lugar, a dependência de recursos de terras raras: o NdFeB depende do neodímio, do praseodímio e do disprósio, com reservas limitadas e volatilidade de preços que ameaçam a estabilidade da cadeia de abastecimento e o controlo de custos. Em segundo lugar, risco de desmagnetização em alta temperatura: a temperatura Curie do NdFeB e a baixa temperatura de desmagnetização limitam o uso em ambientes de alta potência/alta temperatura, enquanto o alto custo do SmCo restringe a aplicação em larga escala.

Terceiro, a falta de tecnologias centrais independentes: a dependência interna de materiais importados de alta qualidade, MOSFETs de SiC e software de simulação enfraquece a competitividade central. Essa dependência dificulta a autonomia e a escalabilidade da cadeia industrial.

Quarto, confiabilidade em ambientes adversos: alta temperatura, umidade e vibração causam falhas em ímãs, enrolamentos e rolamentos, com custos de manutenção permanecendo altos para cenários de alta demanda, como equipamentos aeroespaciais e de águas profundas.

（II）Caminhos inovadores

Caminhos inovadores direcionados abordam esses desafios. A inovação de materiais concentra-se em ímãs de terras baixas/não raras (compósitos à base de ferrita, ímãs de Fe-Ni-Al, ligas de alta entropia) para reduzir a dependência de recursos, enquanto a modificação do ímã (adição de disprósio/térbio) e revestimento (óxido de alumínio, nitreto de titânio) melhoram a estabilidade térmica.

As atualizações tecnológicas incluem resfriamento avançado para reduzir o risco de desmagnetização, integração de gêmeos digitais para manutenção preditiva e P&D independente de ferramentas de simulação e chips de controle para quebrar monopólios estrangeiros. Essas atualizações abordam diretamente os gargalos de desempenho e autonomia.

A otimização da cadeia industrial constrói um ecossistema completo, promove a reciclagem de terras raras através da hidrometalurgia/pirometalurgia e fortalece a cooperação indústria-universidade-pesquisa para acelerar a comercialização de tecnologia.

VI. Tendências de Desenvolvimento Futuro

Impulsionado pela tecnologia, pela procura do mercado e pelas políticas, o PMSM desenvolver-se-á em seis direcções principais.

Integração de alto desempenho: a integração de motor, inversor, redutor, controlador e sensor reduz o volume/peso em 15-20% e melhora a eficiência em 5-8%, com otimização de topologia (AFPMSM) e atualizações de materiais visando densidade de potência de 5kW/kg e >96% de eficiência de ciclo completo.

Baixo custo verde: a industrialização de materiais de terras não raras e a reciclagem de terras raras reduzem os custos, enquanto a produção verde reduz as emissões de carbono.

Adaptabilidade a altas temperaturas: a tecnologia otimizada de resfriamento e ímã permite a operação a mais de 200°C, expandindo o uso nas indústrias aeroespacial e de alta temperatura.

Inteligência/rede: Sensores multidimensionais IoT+AI+ permitem monitoramento em tempo real, manutenção preditiva e otimização de controle dinâmico, aumentando a confiabilidade operacional.

Leve e de alta velocidade: rotores de fibra de carbono e rolamentos de cerâmica atingem >30.000 RPM, com AFPMSM reduzindo o volume para aplicações aeromédicas/de aviação.

Personalização: a otimização específica do campo aumenta a competitividade do mercado e a adaptabilidade de cenários.

VII. Métodos de projeto de PMSM

O projeto PMSM é um projeto sistemático que integra análise teórica, otimização de simulação, verificação experimental e considerações de industrialização. Os métodos empíricos tradicionais são ineficientes e imprecisos, inadequados para requisitos de alto desempenho.

O design moderno adota ferramentas CAD/CAE parametrizadas para construir modelos ajustáveis, encurtando os ciclos de projeto. A otimização multiobjetivo equilibra eficiência, densidade de torque, custo, ruído e capacidade de fabricação – otimizando o tamanho do ímã para reduzir custos, a correspondência slot-pólo para reduzir o ruído e os enrolamentos para melhorar a eficiência da produção.

O projeto de controle de motor integrado coordena topologia e algoritmos para maximizar o desempenho do sistema. A verificação experimental valida projetos, com ciclos iterativos de “projeto-simulação-experiência” garantindo a conformidade com as necessidades da aplicação. A capacidade de fabricação e o controle de custos são priorizados por meio da simplificação estrutural e de processos maduros.

Conclusão

O PMSM desempenha um papel fundamental nas metas globais de eletrificação e neutralidade de carbono. Com avanços contínuos em materiais de ímã permanente, projeto estrutural, simulação e tecnologias de controle, o PMSM se tornará mais eficiente, confiável e econômico, expandindo seu alcance nos setores de NEVs, aeroespacial, automação industrial e energia.

Embora persistam desafios como a dependência de terras raras e a instabilidade térmica, estão a surgir caminhos inovadores claros – através da inovação de materiais, atualizações tecnológicas e otimização da cadeia industrial. O futuro PMSM impulsionará a transformação energética e a modernização industrial, evoluindo em direção à integração, ecologização, inteligência e personalização.

Para os profissionais da indústria, o foco nos principais gargalos, o fortalecimento da cooperação interdisciplinar e a aceleração da comercialização de tecnologia desbloquearão todo o potencial do PMSM, contribuindo para o desenvolvimento sustentável de uma sociedade eletrificada.